電動機產品質量共性技術問題及質量提升建議

陳斌

（中國電器科學研究院股份有限公司，廣州 510663）

引言

電動機產品作為傳統支柱產業，廣泛應用在家電、汽車、基礎建設、工業等國民經濟的各個領域，其質量的高低直接影響人民生活質量及國家工業水平。據統計，全國規模以上電機企業有2 800 多家，其中98 %以上是民營企業，屬于充分競爭行業[1]。電動機制造企業主要分布在廣東、浙江、江蘇、山東、福建、安徽等省份，能夠發揮產業聚集協同優勢的同時也面臨同質化競爭的局面，尤其是在當前國際形勢嚴峻及疫情散發的大環境下，電動機產品質量提升對于增強電動機制造企業競爭力更為重要。

《中國制造2025》中關于質量為先的中心思想是堅持把質量作為建設制造強國的生命線，強化企業質量主體責任，加強質量技術攻關、自主品牌培育。建設法規標準體系、質量監管體系、先進質量文化，營造誠信經營的市場環境，走以質取勝的發展道路[2]。中國作為電動機制造大國同時也是出口大國，近幾年在國家政策的積極引導下，無論是質量水平還是能效水平均有所提升，但較國際先進水平還有一定差距，如何進一步提升產品質量是電動機制造企業面臨的新挑戰。

綜上，電動機產品質量提升無論是對于加強制造企業本身競爭力還是促進工業水平整體提升都具有十分重要的意義，本文歸納總結了影響電動機產品質量的關鍵共性技術問題，并對電動機行業整體質量提升給出了具體建議。

1 電動機產品質量共性技術問題

1.1 可靠性

可靠性是指產品在規定的條件和規定的時間內，完成規定功能的能力，是評價電動機產品質量的重要指標之一。電動機的質量是電機的一組固有特性滿足用戶要求的能力，包括性能特性、專門特性、及時性、適應性等，其中專門特性指用戶無法直接辨別的特性，可靠性即是專門特性之一，是電機性能隨時間的保持能力[3]。不同種類的電動機或不同的應用場景下電動機的可靠性水平也不盡相同，典型的有工業用電機、家用電器電機、電動汽車驅動電機、牽引電機等等。

一般工業電機的使用壽命可達十年以上，經過長期使用后，其性能難免有所下降，但必須在可接受范圍之內，否則極容易引起電機故障甚至因堵轉而燒毀。工業電機主要以三相交流異步電動機為主，電動機結構較為簡單，80%以上的故障出現在繞組和軸承上[4]。繞組故障主要是因高溫引起的絕緣老化，一方面與電動機固有的絕緣設計有關，另一方面隨著變頻技術的發展應用，逆變器的高頻脈沖輸出也容易引起絕緣失效[5]。

對于一些控制類電機，由于運行中自身的工況、諧波、溫度、機械等周圍各種環境因素，且應對壽命周期中各種復雜的情況，需要絕緣系統有足夠的可靠性，故障率較高的部件通常為電機軸承、電機絕緣系統。此外，布滿電子元件的控制模塊也很容易成為薄弱環節，由于故障或失效引起危險，常見的故障原因有元器件虛焊假焊、高溫狀態下參數漂移、連接線束防護不當、焊接面受污染等[6]。新能源汽車用驅動電機屬于典型的控制類電機，由于功率較高，其逆變器一般選擇IGBT，特別是在引入800 V 電驅系統后，在高壓、大電流、高速三方面是其他功率器件不能比擬的，工作環境較普通工業場景更為苛刻，需要在高環境溫度及機械沖擊下，按照特定的汽車驅動工況，為電機持續動力輸出提供保障。不同于工業應用中電機拖動，此類電機工況也更復雜，應對不同路況時，需要在電機特性范圍內進行頻繁的工作點切換，導致通過IGBT 的電流、電壓也非常量，需要IGBT 模塊在高溫、電流、電壓反復沖擊下可靠運行，在驅動控制電路中是一個薄弱環節[7]。

1.2 能效指標

電動機作為國民工業的基礎，其耗電量占據了全社會發電量的（60 ～70）%，其能效指標的提升對于實現雙碳目標具有重要作用。在工業和信息化部、市場監督管理總局聯合印發的《電機能效提升計劃（2021-2023年）》中也提出了到2023 年，高效節能電機年產量達到1.7億千瓦，在役高效節能電機占比達到20 %以上的主要目標[8]。

我國于2 0 0 2 年首次發布了電動機能效標準GB 18613-2002《中小型三相異步電動機能效限定值及節能評價值》[9]，隨后又發布了GB 25958-2010《小功率電動機能效限定值及能效等級》[10]及GB 30253-2013《永磁同步電動機能效限定值及能效等級》[11]。我國電動機產品能效標識制度到2008 年才開始實施，雖然起步相對較晚，但經過三次的標準升級迭代，目前三相異步電動機執行的最新準入標準已升級為GB 18613-2020《電動機能效限定值及能效等級》[12]，其效率限值已與IEC 水平接軌，甚至在標準中率先提出了五類小功率電動機的限值要求。但同時也要看到標準水平的提升與產品在市場上的實際占有率還有一定的差距，且隨著能效提高的時間表推移，普通三相異步電動機能效提升必定面臨進一步提升的瓶頸。

目前已納入能效標準要求的其他兩類電動機產品，永磁同步電動機整體占比還比較小，而量大面廣的小功率電動機一直未納入能效標識制度，因此高效節能電機品種的單一性將是制約我國能效水平提升的一個重要因素。隨著智能家居、新能源以及機器人領域的不斷發展，各類控制電機的應用越來越廣泛，在某些領域逐漸替代了傳統電機，相應的能效標準還需要不斷配套，來刺激電機效率的持續提升。另外電機在提升效率的同時也要考慮產品的綠色設計要求，滿足產品在整個生命周期中的排放要求。

1.3 電磁兼容性

我國電磁兼容性強制標準于2003 年5 月1 日正式開始實施，要求標準范圍內的相關產品必須通過規定的技術要求。電磁兼容性（EMC）涉及兩個方面：電磁干擾（EMI）和電磁抗擾度（EMS）。電動機作為廣泛應用的基礎零部件，在旋轉電機基礎標準及安全標準中均對電磁兼容提出了要求， GB/T 755-2019《旋轉電機定額和性能》（IEC 60034-1:2017，IDT）標準中提出“EMC的特殊要求適用于額定電壓交流不超過1 000 V、直流不超過1 500 V 及在居民區、商業區或工業環境中運行的旋轉電機”[13]，GB/T 12350-2022《小功率電動機的安全要求》[14]標準中提出“帶換向器的電動機以及帶有電子線路的電動機可能會引起連續騷擾，應進行電磁兼容性測試”[15]。

標準考慮到普通交流電機如三相異步電機、電容運轉電機沒有電子線路，對此類電機未做電磁兼容要求，但隨著電動汽車、機器人技術、綠色智能家電的等新興產業的蓬勃發展，電動汽車驅動電機、伺服電機、配套家電的直流無刷電機等應用逐漸廣泛應用起來，這些電機在設計時，一方面要考慮自身抗擾能力，保證電機各項性能穩定，另一方面還要考慮對配套設備的影響。目前與電機配套的電磁干擾標準體系并不完整，電機的電磁兼容性能主要依賴于整體設備測試評估的方式，法規層面也未單獨考核評價電機，這使得電機行業對電磁兼容性的重視度整體不高，存在較大的質量隱患。

1.4 環境適應性

電動機產品大量直接使用在各種嚴酷的環境如:濕熱、戶外、化學腐蝕介質、高溫、粉塵、礦井、水下、鹵水、油等條件,部分特殊的電機如驅動電機系統還可能處于多水、多灰塵、振動沖擊大、溫濕度大等惡劣環境， 因此應用在此類環境中的電動機產品如果在電氣性能、絕緣結構、表面處理、導電件和緊固件方面沒有進行特殊處理的話，比較容易出現進水、塵或者銹蝕等情況，如圖1 所示，嚴重時引發觸電及著火危險。為了提高電動機產品的防潮性能，部分產品會考慮在繞組端部加裝防潮加熱帶，特別是在一些高濕度的環境下，在電動機停機后啟動該裝置，使繞組溫度高出環境溫度約5 ℃，從而阻斷潮氣的進入達到防潮的目的[13]。

圖1 電動機銹蝕

在一定程度上，電動機產品的環境適應性和可靠性是息息相關的，貫穿于電機設計、生產制造的全過程，電動機在一定的環境條件下使用的可靠性需要用環境適應性技術來驗證。常見的考核要求如GB/T 4942《旋轉電機整體結構的防護等級(IP 代碼) 分級》[16]規定的電動機防護等級要求，GB/T 2423.17 《電工電子產品環境試驗第2 部分：試驗方法試驗Ka：鹽霧》[17]規定的鹽霧試驗要求，GB/T 2423.1 《電工電子產品環境試驗第2 部分：試驗方法 試驗A：低溫》[18]以及GB/T 2423.2 《電工電子產品環境試驗第2 部分：試驗方法 試驗B：高溫》[19]規定的高低溫試驗要求。

2 質量提升建議

2.1 加強標準體系建設

國內電動機技術標準主要分為安全標準、基礎標準、技術規范和試驗方法四類，不同電動機產品均有其對應的標準或標準體系。對電機企業來說，除了關注技術標準外，還應重視管理標準、工作標準，且標準應覆蓋到來料檢驗、生產制造及運輸銷售等各個環節，也就是說要建立完整的標準化體系。國內電動機標準化技術委員會按不同產品領域歸屬不同管理單位，企業可按自身生產的電動機類型積極參與各管理單位的標準制修訂工作，加強對標準化工作的學習，并將其轉化為企業內部標準，甚至在要求上更高，對新產品開發、優化生產流程、提升產品質量、保證產品一致性等方面均能發揮重要作用。

對于質量評價機構來說，需要整合行業資源，組織推行行業技術交流的各項活動，針對行業中具備共性的技術問題提出解決方案，通過不斷的實踐制定出符合行業技術水平的標準體系。這就要求機構不僅要立足于國內發展現狀，還要放眼國際，加強國際標準化工作的接軌。如各國針對電機能效都制定了相應標準，我們需要研究國際上先進的標準，制定適合我國的能效要求，通過標準的約束作用來刺激一系列高效技術的發展，從而推動整個電機行業的發展，實現標準和產品與國際化的雙重接軌。另外，我國標準種類比較多，相似的一系列產品分別制定了不同的標準，檢索使用不太方便，而國外多采用相似產品進行歸類，講技術條件和測試要求整合到同一份標準中，使得整個電機標準結構變的簡單、合理并易于檢索。電機領域也漸漸形成了這種標準體系改革的意識，比如在GB/T 5171 標準體系中，未來將采用同一標準號，將不同的產品歸類到這個標準結構下，形成系列標準。

2.2 建立起性能指標評價體系

目前的電動機產品認證基本針對產品的安全、能效要求為主，對于綜合性能方面的評價多為采購方或者項目驗收要求，特別是在工業4.0 的推動作用下，制造企業開始向著生產智能化、數字化的方向發展，傳統的安全檢測對于一個產品的評估是不完整的，為鼓勵企業生產質量過硬產品，應建立起相應的性能指標評價體系，針對產品特點制定評價標準或規范，由相應的工業產品質量控制和技術評價實驗室進行評價，必要時可借助認證機構的力量推出優秀產品或引領產品證書。

2.3 成立電機工程研發中心

目前我國成立的各類國家工程研究中心已有120多個，涉及電氣、電子、軟件、生物技術、食品、制藥等眾多行業。電機作為國民經濟發展的動力基礎之一，有必要成立相應的國家工程研究中心，把社會上分散的資源組織起來，如較強實力的質量評價機構、研究開發和綜合實力較高的高校和科研機構、行業中優秀的企業等技術實體。電機工程中心可以集質量評價、電機技術研究、產品研發和生產與一體，有利于電機技術創新和成果的轉化，培育、提高自主創新能力，通過產、學、研的結合體，搭建產業與科研之間的“橋梁”，就電機產品新材料、新工藝開展領先性研究，促進產業技術進步和核心競爭能力的提高。這樣有利于產品實現以市場為導向，把握技術發展趨勢，通過工程研究中心這個平臺實現技術的的快速轉化和擴散，持續不斷的為規模化生產提供成熟的先進技術、工藝和質量評價體系保障，并不斷為行業培養工程技術研究與管理的高層次人才。

2.4 建立絕緣結構互換體系

低壓異步電機的燒毀約70 %都是由絕緣損壞造成的，由此可見絕緣結構的重要性，而電機絕緣結構性能評價是目前電動機產品認證體系中并未推廣開來的。縱觀UL 認證體系可發現，絕緣材料認證是其各項產品認證開展的基礎，只有夯實的基礎才能從根本上保證產品的安全性，而國內認證制度一開始就重點關注整機產品，對于材料的要求一直未提上議事日程，缺乏基本的絕緣材料庫，當然和認證成本、時限有著一定的關聯。目前，各認證機構都意識到這個問題，也推出了各自的自愿性認證規則，但響應者寥寥。需要從政策層面上提高對絕緣體系的關注度，鼓勵廠商對產品的絕緣結構進行備案、評價，建立起基礎的絕緣材料數據庫以及相應的絕緣結構互換體系。

3 結束語

我國電動機行業經過幾十年的發展，其規模已躍居全球前列，也涌現出諸如臥龍電氣、大洋電機、匯川技術等一批優秀的企業，但總體來說還是以生產制造為主，較國外先進企業在研發設計、制造工藝以及品牌影響力等方面還有一定的差距。從歷年電動機國家產品監督抽查的結果來看，合格率在90 %上下，質量相對穩定，但值得注意的是抽查產品普遍以小功率電動機和中小型電動機為主，且抽查項目以溫升、標志、接地、非正常等安全項目居多，文中提到的可靠性、環境適應性以及電磁兼容要求往往較少涉及，從產品長期服役角度來看，這些方面也是影響電動機產品質量的關鍵。電動機產品質量提升工作任重道遠，需要進一步研究影響產品質量的共性技術問題，加強標準體系建設并提升檢測評價、評估能力，成立綜合性工程技術中心以提供技術支撐，針對絕緣評價方面的薄弱環節構建基礎數據庫及完善管理制度。